电力网中变压器的微机继电保护系统设计方案及模拟

摘 要电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备,它在整个电力系统中起着能量和电压转换的作用。它的运行是否安全,直接关系到电力系统能否连续稳定地运行。随着电力系统规模的不断扩大和它在国民经济中地位的不断提升,对其保护也提出了更高的要求,本论文针对变压器保护的要求,围绕着变压器微机保护系统的研究展开设计工作。论文首先介绍了微机继电保护的发展状况和本设计的研究的具体内容。在三相电力变压器的保护方式以瓦斯保护、差动保护、电流速断保护、变压器过负荷保护和过励磁保护中详细分析了电力电压器的保护。并在遥测量的测量中对变压器、采集模拟量测量值和模数转换对A/D转换器进行分析和改进。研究保护配置与整定计算详细分析、确定了本电力变压器微机保护系统的保护配置。关键词：微机保护 电力变压器 变送器AbstractPower transformer in power system is a very important electrical equipment in the power system, it plays the role of energy and voltage conversion. Its operation is safe, is directly related to the continuous and stable operation of power system can be. With the enlargement of power system scale and its status in the national economy continues to improve, the protection is also put forward higher requirements, this paper aimed at the request of the transformer protection, around the transformer microcomputer protection system of design work.The thesis first introduces the microcomputer relay protection development and the design of the specific content. In the three-phase power transformer protection with gas protection, differential protection, current quick break protection, overload protection and transformer over excitation protection of a detailed analysis of the power transformer protection. And in the remote measurement of transformer, the acquisition of analog measurement and conversion of A / D converter is analyzed and improved. Study on protection configuration and setting calculation of detailed analysis, to determine the power transformer microcomputer protection system protection configuration.Key Word：Microcomputer protection Power transformer Transmitter目 录第一章 绪论11.1 变压器微机继电保护的发展历史11.2 变压器微机继电保护装置的发展过程21.3 本论文研究设计的内容41.3.1 国内外微机继电保护发展的现状41.3.2 本论文的具体调研内容41.3.3 本论文的具体构思内容51.3.4 本论文具体研究实施的内容51.4 研究变压器微机继电保护的目的及意义61.4.1 研究变压器微机继电保护的目的61.4.2 研究变压器微机继电保护的意义7第二章 电力变压器的故障及异常运行状态92.1 电力变压器的故障92.2 电力变压器的不正常运行状态92.3 变压器出现故障的原因92.4 电力变压器故障的预防措施102.5 本章小结11第三章 电力系统电力变压器的保护方式13.1 瓦斯保护原理分析13.2 差动保护23.2.1 变压器差动保护的工作原理23.2.2 构成变压器差动保护的基本原则23.3 电流速断保护33.4 过电流保护43.4.1 过电流保护43.4.2 复合电压起动的过电流保护53.4.3 负序电流和单相式低压过电流保护73.5 零序过电流保护73.5.1 中性点直接接地变压器的零序电流保护73.5.2 中性点可能接地或不接地变压器的保护83.6变压器过负荷保护93.7本章小结10第四章 变压器微机保护方案设计114.1电力变压器保护方案的选择114.2电气保护配置的设计134.2.1.保护参数分析及参数确定134.2.2保护设备的选择及保护配置图144.3保护参数分析与设备配置选择154.3.1.带时限的过电流保护整定计算154.3.2电流速断保护整定计算154.3.3单相低压侧装设低压侧接地保护164.4项目方案的分析164.4.1选择性性能指标测试方案164.4.2可靠性性能指标测试方案174.4.3灵敏性性能指标测试方案184.4.4速动性性能指标测试方案194.5信号的传递过程以及保护设备的动作194.5.1程序流程图194.5.2.继电保护设备动作原理214.6本章小结23第五章 变压器微机保护装置的硬件原理及仿真245.1微机保护装置的选择245.1.1CPU的选择245.1.2微机保护装置其他硬件的选择255.2微机系统的硬件电路原理265.3微机保护装置的硬件结构295.3.1微机保护装置软硬件整体模块295.4本设计仿真的研究305.4.1 MATLAB软件介绍305.4.2 仿真模型315.4.3变压器单相接地仿真示波器结果325.4.4 仿真分析355.5提高微机保护装置可靠性的措施365.6本章小结37第六章 结论与展望38参考文献39致 谢4046宁夏大学物理电气信息学院 本科生毕业设计第一章 绪论1.1 变压器微机继电保护的发展历史20世纪60年代以来，电子计算机(简称计算机)技术迅猛发展，特别是近30年来，计算机的应用广泛而深入地影响着科学技术、生产和生活等社会各个领域，它给各领域带来了巨大的变化，计算机技术同样影响到电力系统继电保护技术的发展。20世纪70年代初、中期，计算机技术发展出现了重大突破，大规模集成电路技术讯速发展，微处理器进入了实用阶段，计算机价格大幅度下降，可靠性大为提高。在20世纪70年代的中、后期己有不少样机在电力系统试运行，微型计算机保护趋于实用。20世纪80年代，在改革开放以及建设有中国特色的社会卞义市场经济的背景下，国内从事微机保护的科学工作者，研制出了适合我国电力系统的继电保护装置，全面提升了我国电力系统的竹理水平，研制的继电保护装置性能基本上达到了国际同类产品先进水平，我国的计算机保护技术进入了蓬勃的发展时期。20世纪90年代初，国内高校和一些科研院、所的工作者研制成功国内第1套微机变压器保护装置。经过几年的试运行，取得了很好的运行经验。在微处理器高速发展的今天，随着计算机技术的发展，以前传统的装置无法实现的变压器保护原理在今天变为现实，并任然在不断完善。科学技术的不断发展，变压器的容量、变压能力有了很大的提高，以及其它设备的先进性，使得电力网的复杂程度和对于继电保护有了更高的要求，所以变压器继电保护也就走向了一个新的发展方向，它在电力网安全运行中大量节约我们设备的损耗，一旦发生故障，能够很及时的切除电力变压器内部和外部的故障，使得我们电力网安全可靠地运行，直到发展到今天。下图1-1，就是一个电力变压器微机继电保护的一个基本可视观测装置，它由微机和信号传递装置组成，当信号到达我们微机的时候就可以很好的反应出来电力网是否安全稳定的运行。随着计算机技术、微电子技术、网络通信技术、信息技术的不断发展，最新研制的微机继电保护的体积更小，功能更强，性能更优，如硬件结构方面，采用具有强大数据处理功能的ASP微处理芯片，低功耗可编程逻辑芯片(CPLD)和高集成度专用芯片(ASIC)后，使装置的体积，功耗，可靠性等方面得到很大提升。我国微机继电保护正向微型化、网络化、智能化和人性化方面高速发展。图1-1 现代变压器微机保护系统1.2 变压器微机继电保护装置的发展过程在继电保护装置方面，20世纪50年代，开始出现了晶体管式继电保护装置。这种保护功率消耗小，动作速度快无机械转动部分，称之为电子式静态保护装置。随着大规模集成电路的发展，80年代后期，集成电路继电保护装置很快取代了晶体管继电保护装置，成为静态继电保护装置的主要型式。在60年代末，电子计算机一问世，便进行了对继电保护计算机算法的大量研究，为今天微型计算机式继电保护(以下简称微机继电保护)的发展奠定了理论基础。随着微处理器技术的迅速发展及其价格急剧下降，在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投人到电力系统中试运行。80年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟。微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，因而可用以实现任何性能完善巨复杂的保护原理。微机继电保护可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。此外，微机继电保护可用同一硬件实现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。微机继电保护除了具有保护功能外，还有故障录波、故障测距、事件顺序记录，以及与调度计算机交换信息等辅助功能，这对于简化保护的调试、故分析和事故后的处理等都有重大意义。进人20世纪以来，在我国得到大量应用，已成为继电保护装置的主要型式，是当今电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的综合自动化系统的重要组成部分。以上是变压器继电保护原理的发展过程。与此同时,构成继电保护装置的组件、材料、保护装置的结构型式和制造工艺也发生了巨大的变革。20世纪继电保护装置都是由电磁型、感应型或电动型继电器组成的。这些继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电器。由机电式继电器组成的继电保护装置称为机电式保护装置这种保护装置体积大，消耗功率大，动作速度慢，机械转动部分和触点容易损坏或粘连，调试维护比较复杂，不能满足超高压、大容量电力系统的要求，目前正逐渐被淘汰。图1-2变压器继电保护基本装置继电保护技术随着电力系统的发展而发展，基本的变压器继电保护装置就如图1-2所示，但是对于不同电力网的要求我们的保护装置各个单元的大小和功能都是不同的，比如熔断器，断路器等。同时也随着通信、信息、电子、计算机等相关技术的发展而不断创新。熔断器就是最早的、最简单的的过电流保护方式，这种保护方式至今仍广泛应用于低版线路和用电设备。熔断器的特点是融保护装置与切断电流的装置于一体，其结构最为简单。由于用电设备的功率、发电机的容量虽不断增大，发电厂、变电站和供电网的结线不断复杂化，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器己不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于断路器的过电流继电器。之所以我们的继电保护装置也是在循序渐进的发展着。1.3 本论文研究设计的内容变压器微机继电保护技术的成熟与发展是近三十年来继电保护领域最显著的进展。经过长期的研究和实践，现在人们已普遍认可了微机保护在变压器继电保护中无可替代的优势。微机保护具有自检功能，有强大的逻辑处理能力、数值计算能力和记忆能力，并且具备很强的数字通信能力，这一切都是电磁继电器、晶体管继电器所难以匹敌的。计算机技术的进步，更高性能、更高精度的数字外围器件的采用，一直是微机继电保护不断发展的强大动力。我所研究的是对于一个小型的变压器采用微机继电保护来实现变压器的安全可靠稳定的运行。1.3.1 国内外微机继电保护发展的现状在国内，目前我国对变压器微机继电保护的研究着重集中在线路保护方面；有关变压器的保护却研究的较少。从依已发表的有关计算机继电保护的文献资料来看，关于电力变压器微机保护目前尚处于可行性研究阶段，主要研究算法、在实验室做离线模拟实验、或用小型机做动摸实验，未见有做成装置接受现场考研的报导。在线路保护方面，我国近年来也成功地研制了一套微机距离保护，并已投入运行实验。在国外，对于变压器微机继电保护的研究，在理论和实践方面都已经取得了显著的成果。在美国、日本、加拿大、西德等国家，已经制造出微机保护装置的样机，并且已正式投入现场使用或受现场考验。1.3.2 本论文的具体调研内容传统的变压器继电保护装置，调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护. 微机具有高速运算、逻辑判断和记忆能力，微机保护是通过软件程序实现的，具有极大的灵活性，也因而微机保护可以实现很复杂的保护功能，也可以实现许多传统保护模式无法实现的新功能。目前，微机保护的平均无故障时间长达十万小时以上，这说明了微机保护是十分可靠的。变压器微机保护经过近20年的应用、研究和发展，已经在电力系统中取得了巨大的成功，并积累了丰富的运行经验，产生了显著的经济效益，大大提高了电力系统运行管理水平。近年来，计算机软硬件技术、网络通信技术、自动控制技术及光电子技术日新月异的进步，现代电力系统不断发展的新形势，对微机保护技术的发展提出了许多新的课题及挑战。特高压输电线和直流输电在国内的建设、大容量紧凑型输电技术的应用、FACTS技术的发展，变电站自动化技术的成熟以及集成智能化电力设备（智能开关及组合电器）、电子或光电式互感器的投入运行都对微机保护技术的发展提出了新的课题，他们对保护运行的可靠性、抗干扰能力、快速性、灵敏性，保护的构成方式，保护动作行为的改进，保护装置的高速通信能力以及保护新原理研究等方面提出了更高的要求。在新的硬件和软件基础上，这些性能需求能够得到更好的满足和实现。变压器经常出现的故障，是我们所关心的问题，一旦出现故障我们就要及时的去解决这个故障，对于变压器来说，故障由内部故障和外部故障构成，故障的种类很多，导致处理故障的方法很多在本文中一一把重要的故障和故障处理方法列举出来对于搭建微机保护系统微机保护在现场的普遍应用已经为现场继电保护人员带来了无可比拟的优越性，不仅保护的正确动作率大大提高，而且由于其调试的方便性使调试工作量大为减少，从而缩短了调试时间。然而，实现装置内部100%的实时状态监视和自检，特别是加强对装置内部薄弱部位的监视以及实现装置的全自动化测试，不仅是继电保护装置安全稳定运行的要求，更是现场继电保护工作者不断追求的目标。通过大量的阅读资料和浏览其他关于继电保护和变压器继电保护方面相关论文，得到我调研想得到的知识，为我撰写论文打下了夯实基础。1.3.3 本论文的具体构思内容（一）、电力变压器微机继电保护和保护装置的发展状况（二）、变压器的故障及异常运行状态（三）、电力系统变压器的保护方式（四）、变压器微机保护方案设计（五）、变压器微机保护装置的硬件原理及仿真1.3.4 本论文具体研究实施的内容 如图1-3，通过变压器一次、二次侧和内部得到的动作信号，传达给继电保护装置，继电保护装置通过通信口传给运动装置和后台监控机，运动装置的动作我们直接可以由后台机看到。当多组故障信号同时进入时，继电保护就要采取有力的就近原则，切除一切故障范围内的设备，使损失最小。图1-3 变压器微机继电保护的基本原理示意图1.4 研究变压器微机继电保护的目的及意义1.4.1 研究变压器微机继电保护的目的文节对现代微机保护软硬件技术的发展及设计进行了深入分析和阐述，提出了新的设计思路和解决问题的新概念新方法。电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异、运行情况复杂、覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响(如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等)，电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。 （一）故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。（二）从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径铀F故障元件的损坏。（三）靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作道到破坏或影响产品质量。（四）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备亡，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统相故障部分迅速恢复正常运行。反映电气元件的；正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸应该指出，要确保电力系统的安全运行除了继电保护装置外，还应该设置电力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理，以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常运行例如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制动、远方切机、在技选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源。电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。故障中最常见，危害最大的是各种型式的短路。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制。这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。1.4.2 研究变压器微机继电保护的意义电力变压器在运行中，可能发生各种类型的故障，对电力系统的安全连续运行会带来严重影响，特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。尤其是随着电力事业的发展，超高压输电线路在我国的建设越来越普遍，大容量超高压的大型电力变压器的应用也随之扩大，其运行是否正常直接关系到整个电网的可靠性。因此必须根据电力变压器容量的大小、电压的高低和重要程度，设置性能良好，动作可靠的继电保护装置。微机变压器保护的主要性能指标：在提出全套实验方案之前，有必要对目前微机变压器保护的主要性能指标做一小结，因为这是确定实验方案的主要依据，同时也是不同产品质量比较的考察项目。 需要提出的是，作为使用单位的电力部门，由于受实验条件的制约，对保护产品的性能考察主要集中在保护的可靠性、灵敏性、选择性和速动性上，即电力部门主要通过实验方法了解上述几方面的具体情况，而对产品的电磁兼容性、抗震性、湿热环境测试等特殊项目的了解则主要依据各厂家的质检报告，故以下的性能指标不考虑上述特殊项目。对微机变压器保护而言，需要考虑的性能指标和考察项目主要如下：选择性：主要通过各种变压器差动区内外实验来考察保护的动作情况，考察变压器发生内部故障时保护是否能正确动作，变压器发生外部故障时保护是否能可靠制动。可靠性:与其它保护相比较，变压器保护存在励磁涌流鉴别的特殊问题，因此在考察保护的可靠性指标时，除去与选择性指标类似的项目外，需要重点考察变压器保护鉴别励磁涌流的能力。另一方面，CT饱和对保护可靠性的影响也是需要重点考察的项目。灵敏性:目前微机变压器保护产品所用的差动特性各不一样，主要有比率差动、标积制动、故障分量差动，即便是比率差动，由于所选的制动量的不同，其动作区与制动区的大小也各不相同，因而保护在灵敏度上存在差异。考虑到目前变压器内部故障中匝间故障占相当比例，灵敏度问题是变压器保护的一个主要考察问题，有必要在实验方案中将其作为重要项目来考察。速动性:考虑到变压器在系统连接和功率传送中所占的重要地位，必须有快速的保护为其提供安全保障，以便在变压器发生故障时快速切除，避免故障扩大和损坏变压器。目前，微机变压器保护产品由于理论基础不同，由于实现方法和软件编制上的差异，也会导致速动性上的表现不尽相同。 第二章 电力变压器的故障及异常运行状态2.1 电力变压器的故障电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。内部故障指变压器油箱里面发生的各种故障，主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器；外部故障指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，一般情况下由差动保护动作切除变压器。速动保护（瓦斯和差动）无延时动作切除故障变压器，设备是否损坏主要取决于变压器的动稳定性。而在变压器各侧母线及其相连间隔的引出设备故障时，若故障设备未配保护（如低压侧母线保护）或保护拒动时，则只能靠变压器后备保护动作跳开相应开关使变压器脱离故障。因后备保护带延时动作，所以变压器必然要承受一定时间段内的区外故障造成的过电流，在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。因此，变压器后备保护的定值整定与变压器自身的热稳定要求之间存在着必然的联系。2.2 电力变压器的不正常运行状态变压器外部短路引起短路的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过电励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应该根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。2.3 变压器出现故障的原因1.避雷器接地电阻高由于避雷器接地电阻高，所以雷电流流过接地电阻时导致变压器外壳电位增高。当其超过一定数值时，就会引起变压器绝缘击穿损坏。2.避雷器接地引下线截面太小或长度太长截面太小在雷击时易被烧断，起不到保护作用，长度太长在某一陡度电流通过时，接地引下线上的压降与避雷器的残压叠加在一起，作用到变压器绕组上有可能破坏变压器绝缘。3.变压器本身缺陷根据原北京电力建设科学技术研究所调查、分析，14800台年配电变压器的运行经验表明：在雷击损坏事故中，大约有37%是因绝缘存在缺陷而引起的。4.过载由于电流的增加，变压器线圈温度迅速增加，造成绝缘材料变脆弱，加速老化，形成大量裂纹甚至脱落，严重时使线体裸露，而造成匝间短路。或者由于外部故障冲击力导致绝缘破损，进而发生故障。5.线路涌流现在，除非明确属于雷击事故，一般的冲击故障均被列为“线路涌流”。线路涌流（或称线路干扰）在导致变压器故障的所有因素中被列为首位。这一类中包括合闸过电压、电压峰值、线路故障/闪络以及其他输配方面的异常现象。其中以变压器出口突发性短路危害最大，当变压器二次侧发生短路接地等故障时，一次侧将产生高于额定电流20-30倍的短路电流，而在一次侧必然要产生很大的电流来抵消二次侧短路电流的消磁作用，如此大的电流作用于高电压绕组上，线圈内部将产生很大的机械应力，致使线圈压缩，其绝缘衬垫、垫板就会松动脱落，铁芯夹板螺丝松驰，高压线圈畸变或崩裂，变压器极易发生故障。6.分接开关故障（1）变压器漏油使分接开关裸露在空气中，裸露的分接开关绝缘受潮一段时间后性能下降，导致放电短路，损坏变压器。（2）变压器分接开关在频繁的调动中会造成触头之间的机械磨损、电腐蚀和触头污染，电流的热效应会使弹簧的弹性变弱，从而使动、静触头之间的接触压力下降。7.引线接头过热引线接头过热是常见的故障之一，一旦发生将造成导电杆与接线端子间打火，甚至损坏导电杆丝扣，烧断接头，同时发热会造成桩头密封圈老化渗油，油溢至套管，沾粘吸附上导电性的金属尘埃，当遇到潮湿天气、系统谐磁、雷击过电压等就可能发生套管闪络放电或爆炸。8.其他原因（1）工艺、制造不良有少部分变压器故障是由于本身存在故障，例如：出线端松动或无支撑，垫块松动，焊接不良，铁芯绝缘不良，抗短路强度不足等。（2）维护不良变压器保护装置不正确，冷却剂泄漏，污垢淤积以及腐蚀受潮，连接松动等都属于维护不良范畴。保养不够被有关统计列为第四位导致变压器故障的因素。2.4 电力变压器故障的预防措施变压器故障有相当部分是完全可以避免的，还有一些只要加强设备巡视严格按章操作，随时可以把事故消除在萌芽状态，这样不但将显著地减少变压器故障的发生以及不可预计的电力中断，而且可大量节约经费和时间。1.严格按照有关检修技术标准做好变压器运行前的检查和试验，防患于未燃。2.运行维护（1）保持瓷套管及绝缘子的清洁。定期清理变压器上的污垢，检查套管有无闪络放电，接地是否良好，有无断线、脱焊、断裂现象，定期遥测接地电阻不大于4，或者采取防污措施，安装套管防污帽。（2）在油冷却系统中，检查散热器有无渗漏、生锈、污垢淤积以及任何限制油自由流动的机械损伤。同时，应经常检查变压器的油位、油色，有无渗漏，发现缺陷及时消除。（3）保证电气连接的紧固可靠。（4）定期检查分接开关。并检验触头的紧固、灼伤、疤痕、转动灵活性及接触的定位。（5）每三年应对变压器线圈、套管以及避雷器进行介损的检测。（6）每年检验避雷器接地的可靠性。接地必须可靠，而引线应尽可能短。引线应符合规定，无断股现象，旱季应检测接地电阻，其值不应超过5。应坚持每年一度的预防试验，将不合格的避雷器更换，减少因雷击过电压损坏变压器。（7）变压器应定时大、小修，在运行中或发生异常情况时，可及时大修。（8）应考虑将在线检测系统用于最关键的变压器上。大型变压器在线监测系统（氢气、局部放电及绝缘在线监测）能预先发现运行中变压器的异常状态。在线监测与专家系统结合起来对变压器绝缘进行预测，把变压器的异常发现于萌芽之初。2.5 本章小结本章主要叙述了电力变压器的故障及异常运行状态，以及出现故障的原因，另外对于出现的故障提出了一些预防性的措施。承接第一章绪论，为本论文下几章做好了铺垫。只有把变压器出现的故障和不安全运行的状态搞清楚才能对于相应的故障和不安全运行做出合理的保护方案。对于可以预测的故障问题，应该早预防，把预防措施做到位，这样就可以提前保护变压器的安全稳定的运行。 第三章 电力系统电力变压器的保护方式3.1 瓦斯保护原理分析瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保护，保护变压器油箱内部各种短路故障，特别是对绕组的相间和匝间短路。由于短路点电弧的作用，将使变压器和其他绝缘材料分解，产生气体。气体从油箱经连通管流向油枕，利用气体数量及流速构成瓦斯保护。图3-1上面的触点表示“轻瓦斯保护”，动作后经延时发出报警信号。下面的触点表示“重瓦斯保护”，动作后启动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳闸。当油箱内部发生严重事故时，由于油流不稳定，可能造成干簧触点的抖动，此时为使断路器能可靠跳闸，应选用具有电流自保持线圈的出口中间继电器KM，动作后由断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持。此外，为防止变压器换油或进行试验时引起重瓦斯保护误动作跳闸，可利用切换片XB将跳闸回路切换到信号回路。图3-1 瓦斯保护的原理接线图3.2 差动保护3.2.1 变压器差动保护的工作原理差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流（折算后的电流）相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流和的正比于故障点电流，差动继电器动作。差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时，一直用于变压器做主保护。另外差动保护还有线路差动保护、母线差动保护等等。 3.2.2 构成变压器差动保护的基本原则图3-2 变压器纵差保护原理接线图正常运行或外部故障时 （3-1）所以两侧的CT变比应不同，且应使 即： （3-2） 或： （3-3）即：按相实现的纵差动保护，其电流互感器变比的选择原则是两侧CT变比的比值等于变压器的变比。3.3 电流速断保护变压器的电流速断保护是反应于大电流增大而瞬间动作的保护。装于变压器的电源测，对于变压器用引出线上各种形式的短路电流进行保护。为证明选择性，速断保护只能保护变压器的一部分，一般能保护变压器的原绕组，它适合用于容量在10MVA以下小容量的变压器，当电流保护时限大于0.5S时，可在电源侧装设电流速断保护，其接线原理如图3-3所示：图3-3电流速断保护接线图1.电流速断保护的整定计算按躲开变压器负荷侧出口d3点的短路最大电流来整定，即 （3-4）公式（3-4）中可参考系数，取1.31.4；外部短路的最大三相短路电流。2.躲过励磁涌流根据实际经验及实验数据，一般为： （3-5）公式中（3-5）为变压器的额定电流。按照上面的条件计算，选择其较大值作为变压器电流速断保护的启动电流。3.灵敏度的校验按变压器原边d2短路时，流过保护的最小短路电流校验， （3-6）变压器电流速断保护的优点是接线简单，动作迅速。缺点是只保护变压器一部分。3.4 过电流保护变压器相间短路的保护既是变压器主保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。根据变压器容量大小和系统短路电流的大小，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护和复合电压起动的过电流保护等。3.4.1 过电流保护过电流宜用于降压变压器，过电流保护采用三相式接线，且保护应该装设在电源侧。保护的动作电流应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即 （3-7）公式（3-7）中可靠系数，一般为1.21.3；为返回系数。确定时，应该考虑下面两种情况：（1）并列运行的变压器，应该考虑切除一台变压器以后所产生的过负荷。若各变压器的容量相等，可按下计算 （3-8）公式（3-8）中并列变压器的台数；变压器的额定电流。图3-4 过电流保护单相接线原理图（2）降压变压器，应该考虑负荷中电动机自启动时的最大电流，则 （3-9）公式（3-9）中 自启动系数，其值与负荷性质及用户与电源尖的电气隔离开关。对110KV降压变电站，610KV侧，=1.52.5；35KV侧，=1.52.0 。为正常运行时的最大负荷电流。同时保护的动作时限应该与下级保护配合，即比下级保护中最大动作时限大一个阶梯时限。保护的灵敏度为： （3-10）公式（3-10）中最小运行方式下，其灵敏度校验点发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流。最小短路电流应该根据变压器连接组别、保护的接线方式确定。在被保护变压器受电侧母线上短路时，要求=1.52；在后备保护范围末端短路时，要求=1.2。若灵敏度不满足要求时，则选用灵敏度较高的其他后备保护。3.4.2 复合电压起动的过电流保护（1）线原理符合电压起动的过电流保护原理接线如图3-5所示。负序电压继电器KVN和低电压继电器组成复合电压元件。发生不对称短路时，负序电压滤过器KUG有输出，继电器KVN动作，其常闭接点打开，KV失电，其常闭接点闭合，起动中间继电器KAM，其接点闭合，电流继电器KA的常开接点因短路而闭合，则时间继电器KT的线圈回路接通。经KT的整定延时后，KT的接点延时闭合，起动出口中间继电器KCO，动作于断开变压器两侧短路器。当发生三相短路时，低电压继电器动作，其常闭接点闭合，与电流继电器一起，按低电压起动过电流保护的动作方式，作用与跳闸。图 3-5复合电压起动过电流保护原理接线图（2）整定计算电流元件动作电流 （3-11）为变压器额定电流动作电压为 （3-12）为变压器的额定电压。低压元件灵敏度为 （3-13）公式中（3-13）相邻元件末端三相金属性短路故障时，保护安装处的最大线电压；低压元件的返回系数。负序电压元件动作电压为： （3-14）负序电压元件灵敏度为 （3-15） 公式（3-15）为相邻元件末端不对称短路故障时，最小负序电压。3.4.3 负序电流和单相式低压过电流保护对于大容量的发电机变压器组，由于额定电流大，电流元件往往不能满足远后备灵敏度的要求，可采用负序电流保护，它是由反应不对称故障的负序电流元件和反应对称短路故障的单相式低压过电流保护组成。负序电流保护灵敏度较高，且在Y，d接线的变压器另一侧发生不对称短路故障时，灵敏度不受影响，接线也较简单。3.5 零序过电流保护在大电流接地的系统中，一般在变压器上装设接地保护。作为便宜变压器本身主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。当系统接地短路时，零序电流的大小和分布是与系统中变压器中性点接地的数目和位置有关。对于有一台变压器的升压变电站，变压器都采用中性点接地运行方式。对于若干台变压器并联运行的变电站，则采用一部分变压器中性点接地运行，而另一部分变压器中性点不接地运行。3.5.1 中性点直接接地变压器的零序电流保护图3-6为中性点直接接地双绕组变压器的零序电流保护原理接线图。保护用电流互感器接于中性点引出线上。其额定电压可选择低一级，其变比根据接地短路电流的热稳定和动态稳定条件来选择。保护的灵敏系数按后备保护范围末端接地短路校验，灵敏系数应不小于1.2。保护的动作时限应比引出线零序电流后备段的最大动作时限大一个阶梯时限。为了缩小接地故障的影响范围及提高后备保护动作的快速性 ，通常配置为两段式零序电流保护，每段各带两级时限。零序段作为变压器及母线的接地故障后备保护，其动作电流以与引出线零序电流保护段在灵敏系数上配合整定，以较短延时（通常为0.5S）作用于断开母联断路器或分段断路器；以较长延时（0.5+）作用与断开变压器的断路器。零序段作为引出线接地故障的后备保护，其动作电流按上式选择，第一级延时与引出线零序后备段动作延时配合，第二级延时比第一级延时长一个阶梯时限。图3-6 中性点直接接地零序电流保护原理接线图 （3-16） 公式（3-16）为变压器零序过电流保护的动作电流；配合系数，取1.11.2；零序电流分支系数；引出线零序电流保护后备段的动作电流。3.5.2 中性点可能接地或不接地变压器的保护当变电站部分变压器中性点接地运行时，如图3-7所示，当两台变压器并列运行时，其中T1中性点接地运行，T2中性点不接地运行。当线路上发生单相接地时，有零序电流流过QF1、QF3、QF4和QF5的四套零序过电流保护。按选择性要求应满足t1t3，即应由QF3和QF4的两套保护动作于QF3和QF4跳闸。若因某种原因造成QF3拒绝跳闸，则应由QF1的保护动作跳闸。当QF1和QF4跳闸后，系统成为中性点不接地系统，而且T2仍带着接地故障继续运行。T2的中性点对地电压将升高为相电压，两非接地相的对地电压将升高倍，如果在接地故障点出现间歇性电弧过电压，则对变压器T2的绝缘危害更大。如果T2为全绝缘变压器，可利用在其中性点不接地运行时出现的零序电压，实现零序过电压保护，作用于断开QF2。如果T2是分级绝缘变压器，则不允许上述出现情况，必须在切除T1之前，先将T2切除。图 3-7 中性点接地运行图因此，对于中性点有两种运行方式的变压器，需要装设两套相互配合的接地保护装置：零序过电流保护用于中性点接地运行方式；零序过电压保护用于中性点不接地运行方式。并且还要按下面的原则进行保护：对于分级绝缘变压器应先切除中性点不接地运行的变压器，后切除中性点接地运行的变压器；对于全绝缘变压器应先切除中性点接地运行变压器，后切除中性点不接地运行变压器。3.6变压器过负荷保护当变压器过负荷电流三相对称，过负荷保护装置只采用一个电流继电器接于一相电流回路中，经过较长的延时后发出信号。对于三绕组变压器，三侧都装有过负荷启动元件；对于双绕组变压器，过负荷保护应装设在电源侧。其原理如图所示。图3-8变压器过负荷保护接线图过负荷保护的整定计算：过负荷保护的动作电流按躲过变压器的额定电流进行整定 （2-24）公式（2-24）中可靠系数，一般取1.05； 继电器的返回系数，一般取0.85； 保护安装侧变压器的额定电流。过负荷保护的延时应比变压器的过电流保护时限延长一个阶段，一般取10s。3.7本章小结 本章对于电力系统电力变压器的保护方式做了详细的介绍，从很多的保护方式选出了部分和本论文相关的重要保护方式，其中有一下保护方式：瓦斯保护、零序过电流保护、变压器过负荷保护、过电流保护、电流速断保护、差动保护等进行了详细的保护原理的分析，并且对于以上每一种保护都给出了基本的保护工作原理图，另外对于保护的基本算法给给了基本的定义，对于每一种保护的保护特点都在本章中有详细说明。对于本章的介绍主要是对于第二章出现的一些变压器的故障来说，相对应的提出来的保护对策或者是保护方式。只有了解这些保护的基本工作工作原理和适应场合，我们才能对于出现故障的变压器采取有效的保护方式来切除故障线路，保障变压器的安全可靠稳定的运行。第四章 变压器微机保护方案设计4.1电力变压器保护方案的选择根据变压器不同的故障和容量情况，我们一般按照下面介绍来选取保护方案：1.当容量为0.8MVA及以上的油浸式变压器和0.4MVA以上的车间内油浸式变压器,均应该安装瓦斯保护,当油面下降的时候应该瞬时动作于跳闸信号；当产生大量瓦斯时,应该动作于跳闸,使其变压器撤除运行，达到保护的目的。2.当引出线、及套管内部的短路故障，应按下列方案进行保护，保护瞬时动作于断开变压器的各侧短路器。（1）6.3MVA以上的厂用电系统和并列变压器，以及10MVA以下的厂用备用变压器和单独运行的变压器，当后备保护时限大于0.5S时，装设电流速断保护。（2）对于6.3MVA及以上厂用电工作变压器和并列运行的变压器，以及10MVA以下的厂用备用变压器和单独运行的变压器，以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵差联动保护。（3）对于高压侧电压为330KV及以上的变压器，要装设双重差动保护。（4）对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间没有短路器时，按发电机变压器组的处理方法来处理。3.纵联差动保护应该符合下列要求：（1）装设纵连差动保护时应该躲过变压器的历次涌流和外部短路产生的不平衡电流。（2）应该在变压器过励磁时不误动作。（3）差动保护应该考虑变压器的套管以及引出线。4.对外部相间短路引起的变压器过电流，应按照下列装设相应的保护和后备保护。保护动作后，应带时限动作于跳闸。（1）过电流保护一般用于降压变压器，保护整定值应考虑事故可能出现的过负荷。（2）复合电压起动的过电流保护，一般用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。（3）序电流和单相式低压起动的过电流保护，一般用于63MVA及以上的升压变压器。（4）当采用复合电压起动过电流保护及负序电流和单相式低压过电流保护不能满足灵敏性和选择性时，可采用阻抗保护。5.外部相间短路保护应该装设于变压器下列各侧，各项保护的接线，应该考虑要能反应电流互感器与断路器之间的故障。（1）双绕组变压器，应装设与主电源侧，根据接线情况，保护可带一段或两段时限，较短的时限用于缩小故障的影响范围；较长一段用于断开变压器各侧断路器。（2）三绕组变压器和自耦变压器，宜装设于主电源侧及主负荷侧。主电源侧的保护应带两个时限，以较短的时限断开未装保护侧的断路器。当上述方式不符合灵敏性要求时，可在所有各侧均装设保护，各侧保护应该根据选择性的要求装设方向元件。（3）有分支，并接至分开运行母线段的降压变压器，除在电源侧装设保护外，还应在每个支路装设保护。（4）对发电机变压器组，在变压器低压侧，不应另设保护，而利用发电机反应外部短路的后备保护。在厂用分支线上，应装设单独的保护，并使发电机的后备保护带两段时限，以便在外部短路时，仍能保证厂用负荷的供电。6.对多绕组变压器的外部相间短路保护，根据其型式及接线的不同，可按下述原则进行简化。（1）220KV及以下三相多绕组变压器，除主电源侧外，其他各侧保护可仅作本侧相邻电力设备和线路的后备保护。（2）保护对母线的各种故障应该符合灵敏性的要求。保护作为相邻线路的远后备时，可适当降低对保护灵敏系数的要求。7.110KV及以上中性点直接接地的电力系统中，如变压器的中性点直接接地运行，对外部单相接地引起的过电流，应该装设零序电流保护。零序电流保护可分为两段组成。（1）110、220KV中性点直接接地的变压器，每段可带两个时限，并均以较短的时限动作于缩小故障影响范围，或动作于本侧断路器；以较长的时限动作于断开变压器各侧断路器。（2）对于自耦变压器和高、中压侧中性点都直接接地的三绕组变压器，当有选择性要求时，应该装设方向性元件。（3）双绕组及三绕组变压器的零序过电流保护，应接到中性点引出线上的电流互感器上，零序电流方向保护也可接入高、中压侧电流互感器的零序回路。自耦变压器的零序电流保护，应接入高、中压侧电流互感器的零序回路。当自耦变压器断开一侧后，内部又发生单相接地时，若零序电流保护的灵敏性不符合要求，则可在中性点增设零序过电流保护。8.110、220KV中性点直接接地的变压器，如低压侧有电源的变压器中性点可能接地运行或不接地运行时，则对于外部单相接地引起的过电流，以及对因失去接地中性点引起的电压升高，应按下列规定装设保护。（1）绝缘变压器应按第7点的规定装设零序电流保护，并装设零序过电压保护。当电力网单相接地且失去接地中性点时，零序过电压保护经0.30.5s时限动作于断开变压器各侧的断路器。（2）分级绝缘变压器:中性点装设放电间隙时,按规定装设零序电流保护,并增设反应零序电压和放电间隙放电电流的零序电流电压保护。当电力网单相接地且失去接地中性点时,零序电流电压保护约经0.30.5s时限动作于断开各侧断路器。中性点不装设放电间隙时,应装设两段零序电流保护和一套零序电流电压保护。零序电流第一段装设一个时限,第二段装设两个时限,当每组母线上至少有一台中性点接地变压器时,第一段和第二段的较小时限动作于缩小故障影响范围。零序电流电压保护用于变压器中性点不接地运行时保护变压器，其动作时限与零序电流保护第二段时限相配合，用以先切除中性点不接地变压器，后切除中性点接地变压器。当某一组母线上的变压器中性点都不接地时，则不应动作于断开母线联络断路器，而应该首先断开中性点不接地的变压器，此时零序电流保护可采用一段，并带一个时限。9.一次电压为10kV及以上，绕组为星形星形连接，低压侧中性点接地变压器，对低压侧单相接地短路应装设下列保护之一：（1）接在低压侧中性线上的零序电流保护。利用高压侧的过电流保护，保护宜采用三相式，以提高灵敏性。（2）护带两个时限动作于跳闸。当变压器低压侧有分支时，宜用分支过电流保护，有选择地切除各分支回路故障。10KMVA及以上变压器，当数台并列或单独运行，并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器，保护应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。同时在过负荷保护采用单相式，带时限动作于信号。另外在无人经常值班的变电所，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。其次对于变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应按现行电力变压器标准要求，装设可作用于信号或动作于跳闸的装置4.2电气保护配置的设计 4.2.1.保护参数分析及参数确定 根据原始资料条件：课题的原始参数为10/0.4车间配电变压器，已知变压器为SH7-800，高压侧IN=40A，过负荷系数取3。根据条件中的容量、电压等级、以及该变压器为油浸式降压变压和工业与民用配电设计守则确定以下的保护方案和保护配置：（1）为了反应变压器油箱内部气体的数量和流动速度而动作的保护装设瓦斯保护。（2）变压器高压侧装设带时限的过电流保护。（3）为了反应电流增大而瞬间动作的保护装设电流速断保护。4）变压器单相低压侧装设低压侧接地保护。（5）为了反应负荷情况装设过负荷保护。（6）变压器机体接地保护。4.2.2保护设备的选择及保护配置图根据前面的原始参数中的电流关系和相关设备手册，我们选择以下的电气元件来配置保护图：(1) 装设两个GL11型过流继电器和两个变比为100/5的电流互感器12LH，组成过电流保护兼作电流速断保护。(2) 装设一个GL11型过流继电器和一个变比为1000/5的电流互感器3LH，组成低压侧接地保护（当按躲过不平衡电流整定时3LH变比变为300/5）(3) 装设一个DL11/